RU2063094C1

RU2063094C1 - Method for producing heteroepitaxial structures insb/gaas

Info

Publication number: RU2063094C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Величко; В.А. Илюшин
Original assignee: Величко Александр Андреевич; Илюшин Владимир Александрович
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 1996-06-27

Abstract

FIELD: manufacture of integrated circuits and optoelectronic devices. SUBSTANCE: method involves growing GaAs buffer layer on semiconductor substrate made of GaAs followed by epitaxy of InSb layer in stage 3-solid-phase epitaxy of amorphous layer deposited at room temperature, low-temperature, and high-temperature epitaxy. EFFECT: enlarged functional capabilities.

Description

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, в частности к способу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксии. The invention relates to the technology of semiconductor devices, in particular to a method for epitaxial growing of semiconductor layers by molecular beam epitaxy.

Полупроводниковые эпитаксиальные структуры антимонида индия находят широкое применение для быстродействующих интегральных схем и приборов оптоэлектроники, так как InSb обладает высокой подвижностью электронов, является прямозонным полупроводником. The semiconductor epitaxial structures of indium antimonide are widely used for high-speed integrated circuits and optoelectronic devices, since InSb has a high electron mobility and is a direct-gap semiconductor.

Наиболее перспективным является использование гетероэпитаксиальных слоев InSb выращенных на полуизолирующих подложках широкозонного арсенида галлия, т. к. в этом случае исключаются токи утечки через подложку и существует возможность осуществлять засветку светочувствительного слоя InSb через прозрачную для ИК-излучения подложку GaAs. The most promising is the use of InSb heteroepitaxial layers grown on semi-insulating substrates of wide-gap gallium arsenide, since in this case leakage currents through the substrate are excluded and it is possible to illuminate the photosensitive InSb layer through a GaAs substrate transparent to IR radiation.

В технологии полупроводниковых приборов известны способы эпитаксиального выращивания полупроводниковых соединений А₃В₅ методом МЛЭ (1).In the technology of semiconductor devices, methods for epitaxial growing of semiconductor compounds A ₃ B ₅ by the MBE method are known (1).

При этом из-за значительного рассогласования постоянных решеток растущего эпитаксиального слоя и подложки в слое возникает высокая плотность дефектов структуры: дислокаций несоответствия и двойников. In this case, due to the significant mismatch of the constant lattices of the growing epitaxial layer and the substrate, a high density of structural defects appears in the layer: misfit dislocations and twins.

Наиболее близким к изобретению является способ, включающий выращивание на полупроводниковой подложке из GаАs буферного слоя GaAs и выращивание эпитаксиального слоя InSb в две стадии низкотемпературная при 300^oС и скорости роста слоя 0,1 мкм/час и высокотемпературная стадия (2).Closest to the invention is a method comprising growing a GaAs buffer layer on a semiconductor substrate from GaAs and growing the InSb epitaxial layer in two stages, low temperature at 300 ^° C and a layer growth rate of 0.1 μm / h and high temperature stage (2).

Но из-за большого рассогласования постоянных решеток пленки антимонида индия и подложки арсенида галлия в пленке InSb возникает высокая плотность дислокаций и двойников. При этом двойники играют основную роль в снижении электрофизических характеристик в полупроводниках. But due to the large mismatch between the constant lattices of the indium antimonide film and the gallium arsenide substrate, a high density of dislocations and twins appears in the InSb film. In this case, twins play a major role in reducing the electrophysical characteristics in semiconductors.

Целью изобретения является устранение дефектов структуры-двойников и увеличение скорости роста эпитаксиальных слоев. The aim of the invention is to eliminate defects in the structure of twins and increase the growth rate of epitaxial layers.

Поставленная цель достигается тем, что после выращивания буферного слоя дополнительно проводят осаждение аморфного слоя InSb толщиной 5-10 нм при комнатной температуре и его твердофазную эпитаксию, на низкотемпературной стадии выращивают эпитаксиальный слой толщиной 40-50 нм, а высокотемпературную стадию проводят при температуре 400^oС со скоростью роста слоя 2 мкм/час.This goal is achieved by the fact that after growing the buffer layer, an amorphous InSb layer is additionally deposited with a thickness of 5-10 nm at room temperature and its solid-phase epitaxy, an epitaxial layer with a thickness of 40-50 nm is grown at a low-temperature stage, and a high-temperature stage is carried out at a temperature of 400 ^o С with a layer growth rate of 2 μm / hour.

Осаждение слоя InSb на подножку GaAs, находящуюся при комнатной температуре, приводит к образованию аморфного слоя. При повышении температуры происходит его кристаллизация (твердофазная эпитаксия). Процесс кристаллизации идет при взаимном ориентирующем влиянии соседних кристаллизующих областей малого размера, поэтому вероятность образования двойников резко снижается. Однако, если проводить перекристаллизацию толстого слоя (более 20-50 нм), то образуется эпитаксиальный слой с высокой плотностью структурных дефектов и плохой морфологией поверхности, что, по-видимому, обусловлено уменьшением ориентирующего влияния подложки на верхние спои. The deposition of the InSb layer on the GaAs footboard at room temperature leads to the formation of an amorphous layer. With increasing temperature, its crystallization occurs (solid-phase epitaxy). The crystallization process proceeds under the mutual orienting influence of neighboring crystallizing regions of small size, so the probability of the formation of twins decreases sharply. However, if a thick layer is recrystallized (more than 20-50 nm), an epitaxial layer is formed with a high density of structural defects and poor surface morphology, which is apparently due to a decrease in the orienting effect of the substrate on the upper spores.

В то же время нагрев тонкой (10-15 нм) аморфной пленки до высоких (400°С) температур приводит к распаду сплошной монокристаллической пленки, как и в случае псевдоморфного роста, на отдельные островки. Поэтому после стадий твердофазной эпитаксии, которая происходит при существенно более низких температурах (200^oС) чем распад пленки на островки, проводят стадию низкотемпературного доращивания перекристаллизованного слоя до толщин, при которых напряжения в пленке полностью ренпансируют (40-50 нм) за счет более полного введения дислокаций несоответствия. В этом случае дальнейшее увеличение температуры не приводит к разделению пленки на отдельные островки и, как следствие, к возникновению двойников при их последующем сращивании.At the same time, heating a thin (10-15 nm) amorphous film to high (400 ° C) temperatures leads to the decomposition of a continuous single-crystal film, as in the case of pseudomorphic growth, into individual islands. Therefore, after the stages of solid-phase epitaxy, which occurs at substantially lower temperatures (200 ^° C) than the decomposition of the film into islands, a stage of low-temperature growth of the recrystallized layer to thicknesses is achieved at which stresses in the film completely re-absorb (40-50 nm) due to a more complete introducing dislocation mismatch. In this case, a further increase in temperature does not lead to the separation of the film into separate islands and, as a consequence, to the appearance of twins during their subsequent splicing.

Данный способ выращивания гетероэпитаксиальных слоев InSb/ GaAs реализован следующим образом. This method of growing heteroepitaxial InSb / GaAs layers is implemented as follows.

Выращивание гетероэпитаксиальных структур InSb/GaAs проводят в установке молекулярно-лучевой эпитаксии. После химической обработки подложка арсенида галлия помещается в камеру МЛЭ, где она подвергается отжигу в потоке мышьяка при температуре 600-650^oС в течение 30 мин.InSb / GaAs heteroepitaxial structures are grown in a molecular beam epitaxy unit. After chemical treatment, the gallium arsenide substrate is placed in the MBE chamber, where it is annealed in a stream of arsenic at a temperature of 600-650 ^o C for 30 minutes

После отжига выращивается буферный слой GaAs при температуре 650^oС со скоростью роста 1 мкм/час в течение 30 мин. Затем температуру подложки снижают до комнатной (20-40^oС), осаждают при этой температуре слой InSb толщиной 10-15 нм, нагревают подложку вместе со слоем InSb до температуры 300^oС, при которой происходит трердофазная эпитаксия, проводят низкотемпературную эпитаксию слоя InSb толщиной 40-50 нм при Т 300^oС со скоростью 0,1 мкм/час, нагревают структуру до температуры 400^oС, а затем ведут высокотемпературный рост со скоростью 2 мкм/час.After annealing, a GaAs buffer layer is grown at a temperature of 650 ^° C with a growth rate of 1 μm / h for 30 minutes. Then, the temperature of the substrate is reduced to room temperature (20-40 ^° C), an InSb layer 10-15 nm thick is deposited at this temperature, the substrate together with the InSb layer is heated to a temperature of 300 ^° C, at which phase epitaxy occurs, low-temperature epitaxy of an InSb layer with a thickness 40-50 nm at T 300 ^o C at a speed of 0.1 μm / hour, heat the structure to a temperature of 400 ^o C, and then conduct high-temperature growth at a speed of 2 μm / hour.

Таким образом, использование предложенного способа получения гетероэпитаксиальных структур InSb/GaAs обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Использование дополнительно двух стадий твердофазной и низкотемпературной эпитаксии позволяет устранить дефекты структуры-двойника.Thus, the use of the proposed method for producing heteroepitaxial InSb / GaAs structures provides the following advantages compared to existing methods:
1. The use of two additional stages of solid-phase and low-temperature epitaxy allows eliminating defects in the double structure.

2. Кроме того, обеспечение более качественной структуры пленки InSb на начальной стадии эпитаксии позволяет вдвое увеличить скорость ее роста и снизить время процесса в 1,5 раза. 2. In addition, providing a better structure of the InSb film at the initial stage of epitaxy allows one to double its growth rate and reduce the process time by 1.5 times.

Claims

A method of producing InSb / GaAs heteroepitaxial structures, comprising growing on a semiconductor substrate from a GaAs buffer GaAs layer and growing an InSb epitaxial layer in two stages, a low-temperature stage at a temperature of 300 ^{° C.} and a layer growth rate of 0.1 μm / h and a high-temperature stage, characterized in that, in order to eliminate defects in the structure of twins and increase the growth rate of epitaxial layers, after growing the buffer layer, an amorphous InSb layer with a thickness of 5-10 nm is additionally deposited at room temperature and of solid phase epitaxy on the low temperature stage is grown an epitaxial layer 40 of thickness 50 mm, and a high-temperature step is carried out at 400 ^o C at a rate growth layer 2 micron / h.